一、项目名称

改性生物炭的老化及环境效应

项目主持人：潘波

二、项目类型

国家自然科学基金-国际(地区)合作与交流项目（组织间合作研究—NSFC-NCN项目(中波)）

获批经费：150万元

三、项目简介

改性生物炭作为环境功能材料，在污染修复、土壤改良等方面具有广阔应用前景。然而，其性质受制备条件、老化过程及环境因素影响显著，制约了其实际应用。本项目系统研究改性生物炭的制备、老化行为及其环境效应，旨在揭示改性方法对生物炭理化性质、反应活性与生态毒性的调控机制，明确其在土壤中的迁移转化规律，为生物炭的环境安全应用与性能优化提供理论依据与技术支撑。

主要研究结果：

1.        改性方法调控生物炭性质与功能：揭示了热解温度、气氛、化学改性等方法对生物炭氧化还原特性、吸附性能及反应活性的影响。研究证实，通过调节温度和化学试剂（H₂O₂/KBH₄）可调控生物炭的氧化还原能力（EAC/EDC），进而促进Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)循环、活化过硫酸盐降解污染物，并能直接电子转移。水洗/酸洗改性可优化其光催化性能。对磺胺甲恶唑（SMX）的吸附机理表明，低温生物炭主要依靠静电辅助氢键吸附，而高温生物炭则得益于更大的比表面积和更多含钙矿物的形成。

2.        对老化的改性生物炭的定性分析与定量分析：苯多酸分子标志物（BPCAs）技术技术证实了玉米秸秆生物炭的老化主要发生在生物炭表面，老化导致一部分碳化结构以溶解性炭黑的形式释放到环境中。而木屑生物碳的碳化结构相对均匀地分布在整个生物炭颗粒上，老化会选择性释放一部分亲水性组分，这会导致芳香簇结构的富集。生物炭在土壤中的长期稳定，除了自身具有缩合的芳香结构外，还与土壤矿物颗粒之间的相互作用有关

3. 改性生物炭的环境效应与生态风险评估：酸改性可降低生物炭中多环芳烃及重金属含量，从而减弱生态毒性；而碱改性则易增加多环芳烃含量，增强毒性。Mg改性对F.    Candida毒性较强，Zn改性则对V.    fischeri毒性显著。改性过程中的去矿化作用会抑制生物炭对双酚A（BPA）的吸附，但提升对SMX的吸附，其中对BPA的吸附受表面吸附与分配作用共同控制，而对SMX的吸附则以分配作用为主（>82%）。去矿化虽可增强生物炭对重金属的吸附能力，但会降低其化学稳定性；化学老化进一步削减改性官能团含量，导致吸附能力下降。此外，老化过程增加表面含氧官能团含量，但化学模拟环境老化后改性生物炭的表面电荷和孔隙减少，对镉的吸附机制从多层吸附转为单层吸附，导致吸附容量显著下降。

4.        生物炭-土壤-污染物互作机制：原始及铁改性的生物炭在温室及野外条件下，铁改性生物炭对温室土壤中重金属有效态影响并不显著，而对野外条件下对重金属有效态有活化作用。说明生物炭对土壤重金属的钝化不是简单的两者之间的物理化学变化，而是生物炭-植物-微生物-重金属-土壤之间多方协同作用的结果。

社会经济价值：

本研究为改性生物炭的设计与应用提供了理论指导，推动其在环境污染修复、土壤改良及固碳减排等领域的实际应用。研究成果有助于开发高效、低毒、稳定的生物炭材料，提升环境治理效能，促进农业可持续发展与生态安全保障，具有显著的环保与经济效益。